基于中波广播信号测量法的建筑物雷电电磁脉冲屏蔽效能分析

罗佳俊 郭 光 吴志辉

基于中波广播信号测量法的建筑物雷电电磁脉冲屏蔽效能分析

罗佳俊1郭 光2吴志辉2

（1. 深圳市盾牌防雷技术有限公司，广东 深圳 518132；2. 珠海市斗门区公共气象服务中心，广东 珠海 519125）

本文提出使用调幅/调频（AM/FM）场强仪测试中波信号电平，计算建筑物对雷电电磁脉冲（LEMP）的屏蔽效能。选取两个不同频点的中波电台模拟LEMP信号源，测量建筑物不同垂直和水平空间的信号电平，计算屏蔽效能值及衰减量。对测试数据进行线性回归分析，结果表明垂直空间上顶楼的LEMP衰减量最大，水平空间内距离门窗等屏蔽网格越远，信号衰减量越大。测试还发现，衰减量与信号频率、测试高度正相关。试验结论可为电子信息系统的LEMP屏蔽设计、屏蔽效能检测提供理论数据和应用支持。

中波广播信号测量法；信号电平；屏蔽效能；衰减量；线性回归

0 引言

电磁屏蔽按原理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。近场中，低电压大电流干扰以磁场为主[1]。文献[2-3]研究雷电电磁脉冲（lightning electro- magnetic pulse, LEMP）屏蔽时，以磁场屏蔽为主要研究方向。LEMP屏蔽是雷电防护系统设计中非常重要的措施之一，设计目的是为电涌和磁场干扰耐受等级低的灵敏设备提供全面保护[4]。因此LEMP屏蔽以磁场屏蔽为主，工程中采用高磁导率的金属材料，屏蔽效果更好。

LEMP屏蔽通常分为两种：①空间屏蔽，主要衰减直接雷击或邻近雷击在雷电防护区（lightning protection zone, LPZ）中产生的电磁场，并减小内部电涌；②内部线路屏蔽，利用铠装屏蔽线缆或线缆穿金属管减少感应进入设备的电涌。

本文研究建筑物墙体等自然屏蔽结构对LEMP的屏蔽效能。雷击建筑物时格栅型屏蔽网格内产生的磁场随网格尺寸和距离的变化规律表明，网格越密，屏蔽效能越好，但当距离超过3m后，屏蔽网格尺寸对磁场大小的抑制已可以忽略[4]。因此，网格尺寸对屏蔽效能的影响不在本文的研究范围内。

目前建筑物LEMP屏蔽的设计、施工和检测仅停留在屏蔽体材料、网格尺寸、接地和等电位等几个要素，不能直观地展示建筑物框架结构或者专用屏蔽体对LEMP的屏蔽效果。文献[5]第6.3.2条给出了对屏蔽效率未做试验和理论研究时，磁场强度的衰减计算公式，但是计算复杂，不利于实际操作和屏蔽效能检测。文献[6]附录F给出磁场测量和屏蔽效率的计算公式，其测量方法包含雷电流发生器法、浸入法、大环法、中波广播信号测量法四种方法。受设备和现场条件限制，中波广播信号测量法是最为简易和经济的测量方法。本文测试数据均采用中波广播信号测量法获得。

1 中波广播信号测量法

文献[7-8]对五种雷电波函数模型进行傅里叶变换，通过分析不同雷电流波形得出雷电频谱主要分布在1MHz以内，但雷电流的能量主要集中在低频段，在0～20kHz的频段内集中了绝大部分能量。文献[9]通过三维雷电探测数据证明，正地闪和负地闪频谱相似，箭式先导频谱集中在100kHz以上。文献[10]通过研究浪涌保护器的残压波频谱分布，证明8/20ms波形能量的频谱主要集中在20kHz以下。文献[11]通过人工触发闪电观测雷电流频谱发现，90%以上的幅值累积和99.999%以上的能量累积分布在0～1MHz。中波广播频段的频率范围为525.5～1 605.5kHz[12]。上述研究表明，中波广播信号与雷电波的频率分布有重叠频段。因此，中波广播信号可部分替代雷电波作为信号源，用调幅（ampli- tude modulation, AM）/调频（frequency modulation, FM）场强仪测量信号电平，从而计算出屏蔽效能。

1.1 利用场强仪电平值计算屏蔽效能的可行性

以当地中波广播频点对应的波头作为信号源，将信号接收机天线分别置于建筑物内外，分别测试信号强度0和1。利用式（1）计算屏蔽效能[6]E。

式中：E为屏蔽效能（dB）；0为无屏蔽处信号电势（V）；1为有屏蔽处信号电势（V）。

AM/FM场强仪测量的信号电平值是以1mV为0dB作为参考标准，单位是dBmV。则计算屏蔽效能所需的参数与AM/FM场强仪测得的信号电平值的换算关系为

式中：ref=1mV。

式（2）可以将场强仪测量数据的单位由dBmV转换为V，以满足式（1）的要求。则有

无屏蔽处的信号电势为

有屏蔽处的信号电势为

将式（4）、式（5）代入式（1）得

由式（6）可知，屏蔽效能可直接转化为由AM/ FM场强仪测得的无屏蔽与有屏蔽处信号电平的差值，不再需要按照式（1）计算，使屏蔽效能计算更加简单。

1.2 场强仪天线系数、电缆及附件引入损耗的影响

计算屏蔽效能除采用电平值外，还可将式（1）中的电势改为磁场强度（A/m）或者电场强度（V/m）。

无线电信号场强测量方法中要求对电磁辐射远场区的电场分量进行测量，通用单位为dBmV/m。

电压电平值与电场强度测量值的转换关系为[13]

式中：f为信号电场强度测量值（dBmV/m）；为接收天线系数（dB/m）；为连接电缆及其附件引入的衰减值（dB）；为测量仪器测得的电压电平值（dBmV）。

由式（6）可知，当测量值单位是dBmV时，屏蔽效能是两个测量值的差值；由式（7）可知电场强度测量值与电压电平值是线性关系，天线系数与连接电缆及其附件引入的衰减值均为常数。

屏蔽效能为

因此，当以电场强度测量值（dBmV/m）计算屏蔽效能时可以直接转化为电平值（dBmV）计算屏蔽效能。这样做的好处是在测试过程中可以忽略天线系数、连接电缆及其附件等引入的损耗等常数，使测量变得简单。

1.3 中波广播信号测量法的要求

测试时，场强仪应采用测量电磁场的标准有源环形天线，测量范围20kHz～30MHz，它可以将接收到的中波信号放大。当天线在室外时，环形天线设置高度0.6～0.8m；当天线在室内时，其高度应与室外布置同高，并置在距外墙或门窗3～5m远处[6]。为了更好地评估被保护设备所处的屏蔽环境，天线架设高度不应该超过被保护设备的高度。

通过场强仪的频谱扫描功能，获取当地中波电台信号频谱如图1所示。为便于研究屏蔽效能的规律，选择1MHz两侧两个电平值最高的频率作为信号源，且户外信号电平在60dBmV以上。

图1 中波信号频谱

2 中波信号电平的采集和分析

文献[14]的研究成果表明，建筑物对雷电磁场起屏蔽作用的不是电阻率很高的混凝土，而是混凝土中的钢筋网格。因此，为使研究结论具有普遍性，选取城市中常见的钢筋混凝土框架结构建筑物作为研究对象。测试地点位于珠海市斗门区，选取702kHz（中国国际广播电台）、1 062kHz（珠江经济广播电台）作为信号源。某建筑物位于一座小山旁边，小山高度约等于10层楼的高度。该建筑物共有11层，1层为架空层，楼顶有高1.5m的女儿墙，楼顶除女儿墙外没有其他物体。在1层、5层、9层、10层、11层、楼顶分别测试无屏蔽时的信号电平和距离阳台推拉门1m、2m和3m时的信号电平，从而计算出不同楼层和距离下的屏蔽效能。其中阳台推拉门的尺寸为3m×2.5m，由于目前框架结构的建筑物，外柱间距一般为6m，层高不超过6m，由此组成的法拉第笼网格尺寸与中波波长（以1MHz频率为例，波长=/=3.0×108/106m=300m）相比可以忽略不计。因此，不考虑其他方位的门窗尺寸对实验数据的影响。电平测量界面如图2所示。

图2 电平测量界面

根据屏蔽效能与衰减量的关系，推导出衰减量的公式并计算衰减量，从而直观地展示建筑物本体结构对信号的衰减规律。

由于中波信号白天受电离层影响，主要以地面波传播为主[15]，地面上的物体会对信号产生衰减，另外由于测试时间长，不同时间段接收的中波信号强度有微小变化，但是不影响整体数据的分析。

根据文献[6]中附录F.3屏蔽效率与衰减量的对应表和式（3），可以推导出屏蔽效能和衰减量之间的关系为

式中：为衰减量。

2.1 702kHz信号下的屏蔽效能及衰减量分析

1）不同楼层、位置的信号电平测量

702kHz中波信号的电平测试数据见表1。文献[16]研究了中波途经建筑物空间畸变的影响因素，分别有建筑物高度、发射台距离和建筑物形状等。因此，受1楼架空层的影响，1m水平距离的信号电平高于室外；受建筑物旁边小山影响，10层测试点的信号电平略有下降。以上环境因素不影响信号整体变化趋势及研究结论。

表1 702kHz中波信号的电平测试数据

表1显示，在垂直空间上无屏蔽空间信号强度随着楼层的升高而呈变大趋势，楼顶的信号强度最大。在水平空间上，信号强度随着与阳台推拉门距离的增加而呈减小趋势。

2）不同楼层、位置的信号屏蔽效能变化规律

根据式（6）及表1计算各测试点的屏蔽效能值。

不同楼层、距离下的屏蔽效能如图3所示，垂直空间上屏蔽效能随着楼层高度的升高而呈增大趋势，楼顶信号没有衰减。水平空间上，同一楼层距离阳台推拉门越远，屏蔽效能越大，反之屏蔽效能越小。距离3m时11层屏蔽效能最高。这表明当附近发生闪电时，在无屏蔽空间的楼顶产生的LEMP是最强的。同一个楼层，与门窗等大网格的距离越远，信号强度越小，屏蔽效能越大。

图3 不同楼层、距离下的屏蔽效能（702kHz）

3）不同楼层、位置的屏蔽效能的线性回归

对不同楼层不同位置的屏蔽效能做线性回归处理得到拟合曲线如图4所示，从而得到屏蔽效能的变化规律。距离阳台推拉门3m距离时，得到的线性回归方程拟合度最好，公式为=2.057 3+2.047 7，²=0.980 5。式中，为屏蔽效能，为楼层。²是拟合优度，其值越接近1，拟合度越好。

图4 不同楼层、距离下的屏蔽效能线性回归曲线（702kHz）

4）不同楼层、位置的信号衰减量变化规律

根据式（11）及表1计算出各测试点的信号衰减量。

不同楼层、距离下的信号衰减量如图5所示，信号在水平空间上和垂直空间上的衰减量规律与屏蔽效能一致。垂直空间上随着高度增加衰减量呈增大趋势；水平空间上随着距离的增加衰减量也呈增大趋势。11层衰减量最大，楼顶信号没变化。

图5 不同楼层、距离下的信号衰减量（702kHz）

2.2 1 062kHz信号下的屏蔽效能及衰减量分析

1）不同楼层、位置的信号电平测量

1 062kHz中波信号的电平测试数据见表2。受1楼架空层影响，1m水平距离的信号电平高于室外；受建筑物旁边小山影响，10层测试点的信号电平略有下降。以上与702kHz信号实验规律一致，环境因素不影响信号整体变化趋势及研究结论。

表2 1 062kHz中波信号的电平测试数据

由表2可知，在垂直空间上信号强度随着楼层的升高而呈增大趋势，楼顶的信号强度最大。在水

平空间上，信号强度随着与阳台推拉门距离的增加而呈减小趋势。同一个楼层，与门窗等大网格的距离越远，信号强度越小。测试数据表明，1 062kHz信号电平变化规律与702kHz的信号电平变化规律一致。

2）不同楼层、位置的信号屏蔽效能变化规律

根据式（6）及表2计算各测试点的屏蔽效能值。不同楼层、距离下的屏蔽效能如图6所示，垂直空间上屏蔽效能随着楼层高度的升高而呈增大趋势。距离阳台推拉门1m时屏蔽效能随高度变化远小于距离3m时屏蔽效能随高度变化。水平空间上，距离阳台推拉门越远，屏蔽效能越高。距离3m时11层的屏蔽效能是最高的，为31.8dB，高于702kHz对应的最高屏蔽效能25.4dB。不同位置下1 062kHz信号的屏蔽效能普遍高于702kHz信号的屏蔽效能。

图6 不同楼层、距离下的屏蔽效能（1 062kHz）

3）不同楼层、位置的屏蔽效能的线性回归

对不同楼层不同位置的屏蔽效能做线性回归处理得到拟合曲线如图7所示，从而得到屏蔽效能的变化规律。距离阳台推拉门3m距离时，得到的线性回归方程拟合度最好，公式为=2.966 3-3.437 2，²=0.942。与720kHz的线性回归拟合曲线比较，拟合优度稍低。

图7 不同楼层、距离下的屏蔽效能线性回归曲线（1 062kHz）

两个频率的线性回归方程组合得到以下方程组为

由方程组（12）解得当楼层高于6层时，该建筑物距阳台推拉门3m处对1 062kHz信号的屏蔽效能高于对720kHz信号的屏蔽效能。

4）不同楼层、位置的信号衰减量变化规律

根据式（11）及表2计算各测试点的信号衰减量。

不同楼层、距离下的信号衰减量如图8所示，在垂直空间上，衰减量随着高度的增加而呈增大趋势。水平空间上，随着距离的增加，衰减量呈增大趋势；11层水平距离3m时最大衰减量为97%，高于702kHz对应的最大衰减量95%。

图8 不同楼层、距离下的信号衰减量（1 062kHz）

3 结论

使用AM/FM场强仪和有源环形天线测量系统通过不同频率、楼层和距离的信号电平测试，可计算出建筑物对LEMP的屏蔽效能和衰减量，并得出下列结论：

1）对于钢筋混凝土结构的建筑物，线性回归的拟合曲线方程表明，屏蔽效能随着楼层的增高而呈增大趋势，顶楼的信号衰减量和屏蔽效能最大。电子信息系统的机房布置在顶楼更有利于减少LEMP对电子信息设备的干扰，此时楼顶应做好直击雷防护措施。

2）相同频率下，距离门窗等屏蔽网格越远，屏蔽效能越高。线性回归拟合优度值表明，距离屏蔽体3m时的拟合优度最高。建议布置设备时，距离门窗或者屏蔽网格3m以上的距离为安全距离。

3）测试两个频率的信号电平对比表明，楼层和频率越高，屏蔽效能也越高。高楼层距离墙壁或者门窗等屏蔽体3m以上距离时，信号的衰减量可以达到90%以上。

4）垂直空间上对信号的衰减远小于水平空间上对信号的衰减。增加设备到屏蔽网格的水平距离更容易提高屏蔽效能。

[1] 杨克俊. 电磁兼容原理与设计技术[M]. 2版. 北京: 人民邮电出版社, 2011.

[2] 周歧斌, 史一泽, 王振兴, 等. 雷电电磁脉冲对风机机舱电磁环境的影响与防护研究[J]. 电瓷避雷器, 2021(3): 51-56, 155.

[3] 贾佳明, 刘昆. 基于人工触发闪电对击间过程近区磁场的测量与仿真[J]. 成都信息工程大学学报, 2019, 34(2): 138-142.

[4] 雷电防护 第4部分: 建筑物内电气和电子系统: GB/T 21714.4—2015[S]. 北京: 中国标准出版社, 2016.

[5] 建筑物防雷设计规范: GB 50057—2010[S]. 北京: 中国计划出版, 2011.

[6] 建筑物防雷装置检测技术规范: GB/T 21431—2015[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015.

[7] 李顺, 行鸿彦, 易秀成. 雷电流信号的频谱与陡度性能分析[J]. 电子测量技术, 2019, 42(18): 106-111.

[8] 孙伟, 王影影, 姚学玲, 等. 10/1000ms雷电流测量Rogowski线圈的研制[J]. 电瓷避雷器, 2020(5): 1-6, 14.

[9] 孔维奇, 王磊, 王超, 等. 基于VLF/LF三维雷电探测数据的云-地闪电频谱差异性分析[J]. 电瓷避雷器, 2021(3): 142-148, 210.

[10] 罗佳俊, 冯海洋, 冷丁丁, 等. 基于低通滤波原理的电涌保护器超低残压研究[J]. 电气技术, 2022, 23(3): 17-22, 30.

[11] 邓宇翔, 陈绍东. 基于人工触发闪电试验雷电流的频谱分析[J]. 广东气象, 2014, 36(2): 67-70, 73.

[12] 陈卓. DAM 10kW中波发射机天线驻波比和网络驻波比的监测原理[J]. 电子制作, 2021(16): 71-72, 49.

[13] 杨文丽, 夏峰. 无线电信号场强测量方法研究[C]// 2013年全国无线电应用与管理学术会议论文集, 天津, 2013: 156-160.

[14] 刘荣美, 汪友华, 张岩. 建筑结构中雷电流和磁场分布特性的频域有限元方法分析[J]. 电工技术学报, 2013, 28(增刊2): 140-145.

[15] 刘越, 朱德剑. 中波广播场强收测方法及影响因素探讨[J]. 西部广播电视, 2018(19): 237-239.

[16] 王璟, 王琳. 中波途经建筑物空间畸变的电磁辐射环境影响分析[J]. 安全与环境工程, 2014, 21(5): 58-63, 70.

Analysis of building shielding effectiveness against lightning electromagnetic pulse based on medium wave broadcast signal measurement

LUO Jiajun1GUO Guang2WU Zhihui2

(1. Shenzhen DOWIN Lightning Technologies Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518132;2. Zhuhai Doumen District Public Meteorological Service Center, Zhuhai, Guangdong 519125)

In this paper, it is proposed to use the amplitude modulation (AM)/frequency modulation (FM) field strength meter to test the medium wave signal level to calculate the shielding effectiveness of the building against the lightning electromagnetic pulse (LEMP). Two different frequency points of medium-wave broadcast stations are selected to simulate LEMP signal source to measure signal level at different vertical and horizontal space of the building. The shielding effectiveness and attenuation amount are calculated. The linear regression analysis of the test data shows that the top floor in the vertical space has the largest attenuation of LEMP, and in horizontal space, the farther away from the window and other shielding grids, the greater the signal attenuation. It is also found that attenuation is positively correlated with signal frequency and test altitude. It provides valuable theoretical data and application support for LEMP shielding design and shielding efficiency detection of electronic system.

medium wave broadcast signal measurement; signal level; shielding effectiveness; attenuation amount; linear regression

2022-05-16

2022-06-07

罗佳俊（1984—），男，广东深圳人，硕士，工程师，主要从事雷电电磁脉冲防护技术和防护产品的研发工作。